Por Dominic Robillard y Lauren Nagel
Un banco de empuje es una excelente herramienta para probar sus motores sin escobillas y hélices.
Puede ahorrarle tiempo de muchas maneras, y una de ellas es mediante pruebas automatizadas.
Las pruebas automatizadas consisten en pulsar «Comenzar» y observar cómo se ejecuta la prueba de forma independiente a medida que se reciben los datos.
En este artículo explicamos 7 formas de probar su motor sin escobillas con nuestros bancos de empuje, además de cómo automatizar esas pruebas.
Las 7 mejores pruebas para motores sin escobillas:
- Prueba de escalón
- Prueba de barrido/rampa
- Prueba de resistencia
- Prueba de control de lazo cerrado/empuje constante
- Prueba del tiempo de estabilización al 90 %
- Prueba de reproducción de vuelo
- Prueba sinusoidal y prueba de señal chirp
Configuración de las pruebas
Este artículo hace referencia a dos de nuestros programas que se combinan con nuestros bancos de empuje:
- Software RCbenchmark - frecuencia de muestreo de hasta 50 Hz, compatible con las series 1585 y 1780
- Software Flight Stand - frecuencia de muestreo de hasta 1 000 Hz, compatible con Flight Stand 15/ 50/ 150
Se utilizó el banco de pruebas de la serie 1585 para recopilar los datos que se muestran en los vídeos de este artículo.
Figura 1: Sistemas de propulsión probados en un túnel de viento
1. Prueba de escalón
¿Qué es una prueba de escalón?
Una prueba de escalón somete su sistema de propulsión a una secuencia de escalones de señal en un patrón regular o irregular. Por ejemplo, podría configurar el acelerador para que comience al 25 % y luego aumente en intervalos del 5 % hasta el 50 % (25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %).
En cada uno de estos «escalones» hay un tiempo de estabilización definido durante el cual el sistema mantiene el acelerador fijo para que el sistema se estabilice antes de capturar la muestra de datos.
¿Por qué realizar una prueba de escalón?
Hay varias razones para realizar una prueba de escalón, ya que es una de las pruebas más sencillas disponibles.
En primer lugar, una prueba de escalón es fácilmente repetible y se puede ejecutar exactamente de la misma manera tantas veces como sea necesario. Esto facilita la comparación de distintas configuraciones de su sistema de propulsión, ya que los puntos de recopilación de datos son siempre los mismos.
También resulta útil para analizar el rendimiento de un sistema en distintos puntos de funcionamiento. ¿Cómo se compara la eficiencia al 55 % del acelerador frente al 60 %? ¿Cuál es el consumo de energía al 80 % frente al 85 % del acelerador?
Una prueba de escalón puede ayudarle a responder a estas preguntas mediante un protocolo sencillo.
Lecturas complementarias: Por qué debería probar sus motores y hélices
Cómo realizar una prueba de escalón
Diseñar una prueba de escalón requiere determinar qué puntos de funcionamiento desea conocer. ¿Quiere analizar todo el rango de entradas de señal o centrarse en una fase específica del vuelo?
Una vez que lo haya determinado, puede introducir estos puntos en un script de prueba, como el que se incluye en el software RCbenchmark (figura 2). Establezca el valor mínimo, el valor máximo, el número de escalones y el tiempo de estabilización entre escalones.
Sus escalones pueden introducirse manualmente o importarse desde una hoja de cálculo.
Figura 2: Script de prueba automatizado para una prueba de escalón
2. Prueba de barrido/rampa
¿Qué es una prueba de barrido/rampa?
Durante una prueba de barrido (también llamada prueba de rampa), se registran datos continuamente mientras su sistema de propulsión realiza una transición suave de un valor de acelerador a otro.
A diferencia de una prueba de escalón, no hay paradas en el camino, solo una recopilación continua de datos durante la transición entre los puntos.
Por ejemplo, podría establecer el valor inicial al 40 % del acelerador y el valor máximo al 80 % del acelerador, y recopilar datos continuamente durante el aumento.
¿Por qué realizar una prueba de barrido/rampa?
Una prueba de barrido/rampa permite probar todo el rango de puntos de funcionamiento del ESC entre dos valores. Equivale a una prueba de escalón con un número infinito de escalones, por lo que una de sus ventajas es que no tiene que introducir los escalones manualmente.
Entre otros objetivos, puede resultar útil para analizar la curva del acelerador y observar los efectos de la alias de la señal.
Un aspecto a tener en cuenta es que el número de puntos de datos de la prueba no es fijo. Aún así, es muy posible comparar experimentos, pero los datos de distintas pruebas no coincidirán en valores precisos como ocurriría con otras pruebas, como una prueba de escalón.
Además, los archivos de datos generados pueden llegar a ser muy grandes y dificultar el análisis.
Cómo realizar una prueba de barrido/rampa
El software RCbenchmark incluye un script preescrito para pruebas de barrido que permite a los usuarios introducir sus propios valores personalizados. El usuario introduce un valor inicial mínimo, un valor máximo de pico y el tiempo deseado para la transición entre ambos, lo que controla la velocidad del barrido.
Un aspecto a tener en cuenta es que el barrido debe realizarse lo suficientemente despacio para minimizar el par de aceleración de la hélice y evitar que afecte a las mediciones. Si la rampa es lo bastante lenta, este efecto será despreciable.
3. Prueba de resistencia
¿Qué es una prueba de resistencia?
La categoría de pruebas de resistencia incluye todas aquellas pruebas de larga duración cuyo objetivo final es comprobar los límites del sistema de propulsión o de sus componentes.
Algunos ejemplos:
- Prueba de resistencia térmica: comprobar el rendimiento de un motor durante varias horas en un entorno cálido.
- Prueba de resistencia de rodamientos: determinar cuántas horas de uso puede soportar un rodamiento antes de sufrir desgaste.
- Prueba de resistencia a la formación de hielo: comprobar el rendimiento de la hélice a lo largo del tiempo en un entorno frío y húmedo.
Lecturas complementarias: Pruebas estáticas y dinámicas para componentes de UAV
¿Por qué realizar una prueba de resistencia?
Las pruebas de resistencia son útiles en muchas etapas del proceso de diseño. Pueden ayudarle a seleccionar los mejores componentes y a crear documentos técnicos precisos.
Las pruebas de resistencia también son un factor importante para la seguridad y la fiabilidad. Pueden contribuir a la certificación de drones al demostrar la vida útil de los componentes y los límites de funcionamiento seguro de la aeronave.
Las pruebas de resistencia también son útiles para establecer un programa de mantenimiento para el dron, ya que pueden indicar cuándo los componentes necesitarán una revisión.
Cómo realizar una prueba de resistencia
Se puede utilizar cualquier patrón de acelerador para realizar pruebas de resistencia, como escalón, barrido, sinusoidal, reproducción de vuelo, etc. Los parámetros de la prueba dependen en gran medida de sus objetivos como diseñador.
Algunos ejemplos:
- Prueba de resistencia térmica: ejecute su sistema de propulsión durante un período prolongado a acelerador constante en un entorno cálido. Observe los cambios en el rendimiento del motor a lo largo del tiempo.
- Prueba de resistencia de rodamientos: ejecute su sistema de propulsión mediante una secuencia repetitiva de escalones en condiciones STP. Observe cuántas horas de funcionamiento soporta el rodamiento antes de mostrar signos de desgaste.
- Prueba de resistencia a la formación de hielo: ejecute su sistema de propulsión mediante una señal suave y repetitiva en un entorno frío y húmedo. Observe los cambios en el rendimiento de la hélice a medida que se acumula hielo.
El software RCbenchmark puede ayudarle a diseñar sus pruebas de resistencia mediante el script preescrito «Secuencia de escalones personalizados» (figura 3). El usuario crea una secuencia de prueba definiendo el número de escalones, el valor del acelerador en cada escalón y la duración de cada uno.
La secuencia se puede repetir tantas veces como sea necesario. Se registra una muestra de datos en el punto medio de cada escalón de la secuencia de prueba.
Figura 3: Script editable para pruebas de resistencia
4. Prueba de control de lazo cerrado/empuje constante
¿Qué es una prueba de control de lazo cerrado/empuje constante?
Durante una prueba de control de lazo cerrado, también llamada prueba de empuje constante, el sistema lee continuamente los datos de los sensores y ajusta el acelerador para alcanzar un empuje/potencia/RPM constante, según lo defina el usuario.
Un ejemplo de control de lazo cerrado es un controlador PID, que detecta la diferencia entre el valor objetivo y el medido y luego aplica una corrección basada en un control proporcional con ajustes integral y derivativo.
¿Por qué realizar una prueba de control de lazo cerrado?
Una prueba de control de lazo cerrado se configura para que la variable deseada se mantenga constante, incluso cuando cambian otras áreas del sistema.
Por ejemplo, a medida que una batería LiPo se agota y el voltaje disminuye, el acelerador se ajustará para mantener el empuje/potencia/RPM programado.
Esto es útil en muchos escenarios, como al diseñar un vuelo, probar su batería o comprobar la resistencia del sistema.
Cómo realizar una prueba de control de lazo cerrado
Para realizar una prueba de control de lazo cerrado con el software RCbenchmark se requiere un script personalizado que puede crear dentro del programa utilizando JavaScript estándar.
El script tendrá que modificarse para alcanzar sus objetivos específicos. El principal reto consiste en garantizar que el sistema no compense demasiado rápido ni en exceso, ya que esto provocaría que oscilara alrededor del valor objetivo, por lo que es necesario realizar algún ajuste.
5. Prueba del tiempo de estabilización al 90 %
¿Qué es una prueba del tiempo de estabilización al 90 %?
Una prueba del tiempo de estabilización al 90 % mide cuánto tiempo tarda un sistema de propulsión en alcanzar el 90 % de su valor final de RPM tras una entrada de escalón. Esta es una forma de medir el tiempo de reacción de un dron, por ejemplo.
Es una prueba dinámica que debe realizarse con una frecuencia de muestreo elevada para garantizar una medición precisa.
¿Por qué realizar una prueba del tiempo de estabilización al 90 %?
Una prueba del tiempo de estabilización al 90 % permite a diseñadores e ingenieros de control cuantificar el tiempo de reacción de un sistema de propulsión en su conjunto: el ESC, el motor y la hélice juntos. Esto resulta útil para estudiar el rendimiento y la resiliencia de los drones, por ejemplo, para comprobar con qué rapidez se recuperan de una perturbación como una ráfaga de viento.
¿Cómo realizar una prueba del tiempo de estabilización al 90 %?
Esta prueba es fácil de realizar, ya que está preprogramada en el software RCbenchmark. El script envía una señal de entrada de escalón a su sistema de propulsión, lo que hace que pase del 0 al 100 % del acelerador. Simultáneamente registra el tiempo de reacción necesario para alcanzar el 90 % de las RPM finales.
También se registra la aceleración para proporcionar una estimación de la pendiente de aceleración inmediatamente después de la entrada de escalón. Estos datos se incluyen como una columna adicional en el archivo .CSV de salida. 
Figura 4: Script de prueba del tiempo de estabilización al 90 %
6. Prueba de reproducción de vuelo
¿Qué es una prueba de reproducción de vuelo?
Una prueba de reproducción de vuelo es una forma de recrear en el laboratorio un vuelo anterior con su sistema de propulsión. Puede realizar esta prueba utilizando los datos del acelerador almacenados en el ordenador de vuelo integrado de un vuelo anterior.
¿Por qué realizar una prueba de reproducción de vuelo?
Este tipo de prueba es útil porque permite observar el rendimiento de su sistema de propulsión en distintas etapas del vuelo. Puede determinar qué etapas consumen más energía y cuáles son las más eficientes.
Este método de prueba es una de las formas más precisas de reproducir operaciones de vuelo, especialmente cuando se combina con pruebas en túnel de viento. Es especialmente útil para estimar la autonomía de la batería. Tener acceso a esta información puede dar lugar a cambios en el diseño de su dron, en su procedimiento de vuelo o en ambos.
Lecturas complementarias: Cómo calcular y medir el empuje de la hélice
¿Cómo realizar una prueba de reproducción de vuelo?
El primer paso es exportar los datos del acelerador de un vuelo a su ordenador. A continuación, puede importar el archivo al software Flight Stand como un archivo .CSV para crear un script de prueba personalizado. Si utiliza el software RCbenchmark, deberá escribir un script personalizado.
Una vez que haya conectado su sistema de propulsión al banco de empuje, el software reproducirá los puntos del acelerador a través de su sistema. Podrá ver en tiempo real cómo cambian el empuje, el par motor, las RPM, la potencia y otros parámetros.
7. Prueba sinusoidal y prueba de señal chirp
¿Qué son las pruebas sinusoidal y de señal chirp?
Durante una prueba sinusoidal, el sistema de propulsión se controla mediante una señal suave de onda sinusoidal, lo que obliga al motor a cambiar constantemente de velocidad. El sistema recorre todo el espectro de puntos del acelerador mientras registra datos continuamente.
Durante una prueba de señal chirp, se envía una señal suave de onda sinusoidal al sistema de propulsión, pero ahora la frecuencia cambia progresivamente con el tiempo (figura 5). La frecuencia de la señal puede aumentar o disminuir, pero la amplitud de la señal permanece constante.
Figura 5: Estructura de una señal chirp (Fuente: Wikiwand)
¿Por qué realizar una prueba sinusoidal o una prueba de señal chirp?
Una prueba sinusoidal permite observar el rendimiento de su sistema en todo el espectro de puntos de funcionamiento. El registro continuo es similar al de una prueba de barrido y el patrón resulta útil para realizar pruebas de resistencia.
Una prueba chirp permite al usuario comprobar todo el rango de cambios de velocidad de un ESC. Esto puede indicar con qué rapidez y hasta qué punto el ESC responde a los cambios del acelerador.
Le permite observar la estabilidad del sistema cuando se somete a una mayor frecuencia de comandos, y a menudo es una de las pruebas realizadas por los ingenieros para validar que un sistema de control es estable en todas las frecuencias.
¿Cómo realizar una prueba sinusoidal o de señal chirp?
Para las pruebas sinusoidales, tenemos un script preescrito para generar una función sinusoidal en la salida del ESC: https://cdn-docs.rcbenchmark.com/scripts/sinewave.js. Esto se puede utilizar con el software RCbenchmark.
Realizar una prueba de señal chirp requiere que escriba un script personalizado, y el script sinusoidal anterior sirve como un buen punto de partida.
Tenga en cuenta que la tasa de actualización está limitada por el protocolo del ESC y la tasa de comunicación USB. Por esta razón, no recomendamos establecer una frecuencia de onda sinusoidal superior a 10 Hz con el software RCbenchmark.
Resumen
Las pruebas automatizadas de motores brushless analizadas en este artículo desempeñan un papel importante en la optimización de los sistemas de propulsión. Los datos pueden ayudarle a identificar áreas prácticas de mejora en su sistema.
Si desea realizar estas pruebas en su propio laboratorio, pruebe nuestra Serie 1585 para drones pequeños, nuestro Flight Stand 15 para drones medianos, nuestro Flight Stand 50 para drones grandes, y nuestro Flight Stand 150 para drones extra grandes y eVTOL.
Como siempre, nuestros potentes softwares se proporcionan de forma gratuita.
Siempre estamos buscando formas de mejorar y satisfacer las necesidades de nuestros clientes. ¿Hay alguna prueba que hayamos pasado por alto? Háganoslo saber en los comentarios.